[发明专利]一种非对称毫米波亚毫米波无线信道仿真方法

权利要求书

1.一种非对称毫米波亚毫米波无线信道仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、建立散射体模型，并通过筛选建立非对称有效散射体模型；

非对称散射体模型，其散射体在球面上的分布可建模为服从von Mises-Fisher随机分布；von Mises-Fisher是一种应用于球上的方向随机分布，三维单位向量x分布在立体球面上，其von Mises-Fisher概率密度函数表达式为：

f₃(x；μ,ζ)＝C₃(ζ)exp(ζμ^Tx) (1)

上式中，向量μ表示平均方向，满足||μ||＝1；ζ为聚集因子，且ζ≥0；C₃(ζ)表示归一化常量，由下式给出：

在散射体球状分布的情况下，随机变量x由散射体的方位角θ和俯仰角φ构成：x＝[cosφcosθ,cosφsinθ,sinφ]；此外，向量μ＝[cosφ₀cosθ₀,cosφ₀sinθ₀,sinφ₀]，这里的θ₀，φ₀分别为散射体的平均方位角和俯仰角；基站侧和移动台侧的散射体球状分布概率密度函数为：

有效散射体的生成过程包括以下步骤：

1)选择传输侧u(u为基站侧T或移动台侧R，即u∈{T,R})，根据散射体球状分布概率密度函数，该侧共计N_u个散射体中，生成的第i个(其中i∈{1,2,…,N_u})散射体记为

2)判断传输侧u的散射体是否在链路方向(为上行链路UL或下行链路DL，即)的有效散射体内，即判断散射体所对应的水平方位角和垂直俯仰角是否满足：

其中和分别表示波束中心方向的水平方位角和垂直俯仰角，和分别表示在水平和垂直方向上的波束宽度；

3)如果散射体在有效范围内，则记入对应的链路方向与传输侧u的有效散射体集合否则不计入；

4)更改散射体i、链路方向与传输侧u，重复步骤1至3，直到所有散射体都被遍历，并得到对应的有效散射体集合

步骤二、建立三维波束模型，将上行和下行的定向性波束分别建模为三维空间中的椎体形状；

步骤三、根据非对称有效散射体模型和三维波束模型，建立非对称毫米波亚毫米波信道的信道冲激响应。

2.如权利要求1所述，一种非对称毫米波亚毫米波无线信道仿真方法，其特征在于，步骤二的实现方法为：

三维波束模型为水平方向上角度宽度为α，竖直方向上角度宽度为β的椎体；波束的中心方向用水平方位角θ^B和垂直俯仰角φ^B描述，因此可以将该波束表示为B(θ^B,φ^B,α,β)，其天线方向图可记为F(θ^B,φ^B)；使用该三维波束模型，可以得到天线增益

3.如权利要求1所述，一种非对称毫米波亚毫米波无线信道仿真方法，其特征在于，步骤三的实现方法为：

非对称毫米波亚毫米波信道的信道冲激响应，可由矩阵进行描述；其中中的p(p＝1,2,…,P)表示基站侧共P个天线阵元中的第p个天线阵元，其位置向量表示为q(q＝1,2,…,Q)表示移动台侧共Q个天线阵元中的第q个天线阵元，其位置向量表示为

所有的几何关系可以统一在以O为原点的xyz直角坐标系中表示，因此满足位置向量其中O_T和O_R分别表示基站侧和移动台侧的散射体球心，移动台侧散射体分布的球体半径记为R_T，移动台侧散射体分布的球半径记为R_R，移动台与基站之间的水平距离记为D；

由于移动台的移动，角度和位置向量均具有时变性，因此散射体位置向量可以表示为：

其中散射体表示基站侧的第i个散射体，该散射体相对于基站侧散射体球心O_T的位置向量记为散射体表示移动台侧的第j个散射体，该散射体相对于移动台侧散射体球心O_R的位置向量记为

V_MS表示移动台的移动速度矢量，t为瞬时时刻，则视距径路径向量可以表示为：

因此，从移动台侧散射体球心O_R到基站侧散射体以及从基站侧散射体球心O_T到移动台侧散射体的单跳路径向量表示为：

从基站侧散射体到移动台侧散射体的双跳路径向量表示为：

考虑到毫米波亚毫米波在非视距径条件下，每发生一次反射，都会产生数十dB的漫散射损耗，因此在模型中对三次及更高次的反射忽略不计；由视距径，单跳，双跳分量叠加组成：

上式中K为莱斯因子，表示视距径的功率占总功率的比例；将所有的几何关系都统一在以O为原点的xyz直角坐标系中表示；SB_u(u∈{T,R})表示两种情况下的单跳，u＝T时单跳的散射体位于基站侧，u＝R时散射体位于移动台侧；分别表示方向上的从基站侧的第p个天线阵元到移动台侧第q个天线阵元的视距径、单跳和双跳分量的信道冲激响应函数；

信道冲激响应函数的视距径、单跳和双跳分量中，均涉及到收发天线增益以及由于自由空间扩散和空气分子吸收效应电磁波信号所经历的衰减A(d)，可分别由下式计算得到：

为基站侧第p个阵元的天线方向图，为移动台侧第q个阵元的天线方向图；d表示传播距离，K_f表示空气吸收系数，主要由空气的成分组成决定，且随着信号频率f的变化而变化，c表示光速；

对于视距径分量，可由以下步骤得出：

1)收发天线增益可由(10)式计算得到，将d＝W_LoS(t)代入(11)式可得到视距径下信号所经历的自由空间扩散和空气分子吸收带来的总衰减A_LoS(t)；

2)计算视距径下移动台相对于基站的多普勒频移：

其中为视距径向量W_LoS(t)的单位向量；

3)计算视距径下移动台相对于基站的时延：

其中W_LoS(t)为视距径向量W_LoS(t)的模；

4)计算

其中为波数，Φ_LoS为视距径随机相位，在(0,2π]范围内均匀分布；

对于单跳路径分量，可由以下步骤得出：

1)根据(10)式计算天线增益将代入(11)式可得到有效散射体单跳所经历的自由空间扩散和空气分子吸收的总衰减其中标量和分别为向量和所对应的模长；

2)计算单跳下移动台相对于基站的多普勒频移：

其中为单跳下径向量的单位向量；

3)计算单跳下移动台相对于基站的时延：

4)计算单跳漫散射功率损耗χ^SB；

单跳及双跳漫散射功率损耗χ，可采用如下步骤计算；其中χ^SB代表单跳漫散射功率损耗，χ^DB代表双跳漫散射功率损耗；

计算单跳漫散射功率损耗χ^SB；其中假设入射波以θ_in入射到平面上，以入射点为原点，散射平面为xoy平面，建立三维直角坐标系，z轴为法线方向；入射波所在的平面称为入射面，入射角记为θ_in，垂直方向出射角记为θ_out，水平方向出射角假设这三个角均在一定角度范围内均匀分布，即：θ_in～U(0,π/2)，θ_out～U(0,π/2)和考虑信道中存在N_∈种散射体，第∈(∈＝1,…,N_∈)种散射体占总散射体的概率为P_∈(满足)；其对应的粗糙表面均方根高度记为ρ_h,∈，折射率记为n_t,∈；将这N_∈种散射体的粗糙表面均方根高度和折射率的期望值，作为所有散射体粗糙表面的平均特征，即根据θ_in，θ_out和之间的关系，χ^SB分为反射和散射两种情况进行计算；

①对于反射的情况(θ_in＝θ_out且)，使用下式计算；其中瑞利粗糙因子记为ρ_r，菲涅尔反射系数记为Fr；

其中，瑞利粗糙因子ρ_r和菲涅尔反射系数Fr使用下式计算；

②对于散射的情况(θ_in≠θ_out或)，使用下式计算；其中散射损耗因子记为ρ_s，菲涅尔反射系数记为Fr；

5)计算

为单跳的随机相位，在(0,2π]范围内均匀分布；表示方向上u侧的有效散射体总数；分别为单跳路径向量对应的单位向量，后两者分别对应于从u侧的p天线到以及从到u侧的q天线的路径向量；

对于双跳路径分量，可由以下步骤得出：

1)天线增益可由(10)式计算得到，将代入(11)式可得到有效散射体和双跳对应的空气分子吸收效应导致的衰减其中为从到的径向量的模长；

2)计算双跳下接收端的多普勒频移：

3)计算双跳下移动台相对于基站的时延；

4)双跳漫散射功率损耗χ^DB可近似为：

χ^DB＝(χ^SB)² (24)

5)计算

为随机相位，在(0,2π]范围内均匀分布；表示基站侧和移动台侧的有效散射体总数；分别为对应的单位向量，后两者分别对应于从u侧的p天线到以及从到u侧的q天线的路径向量。